Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 7: Thiết bị ngoại vi

+

Chương 7

Thiết bị ngoại vi

+

Chương 7. Thiết bị ngoại vi

7.1 Các thiết bị ngoại vi

7.2 Module vào/ra

7.3 Các kỹ thuật I/O

a. I/O chương trình

b. Điều khiển ngắt vào/ra

c. Truy xuất bộ nhớ trực tiếp

7.4 Các bộ xử lý và kênh vào/ra

+

7.1 Thiết bị ngoại vi

 Một trong ba thành phần cơ bản của hệ thống máy tính: CPU,

bộ nhớ và thiết bị ngoại vi (thông qua module I/O)

 Giúp trao đổi dữ liệu với bên ngoài

 Kết nối với máy tính qua module vào/ra (module I/O)

 Truyền các thông tin điều khiển, dữ liệu và địa chỉ giữa CPU và thiết

bị ngoại vi

 Có ba loại

 Con người đọc được: các thiết bị ngoại vi dành cho người dùng

máy tính như màn hình, máy in,...

 Máy đọc được: các thiết bị gắn vào máy tính thực hiện một số chức

năng giao tiếp (lấy thông tin,...): ổ cứng, cảm biến, băng từ,...

 Truyền thông: sử dụng truyền thông tin đi xa: modem, card mạng,...

+

Mô hình tổng

quát của I/O

Module

a. Sơ đồ khối thiết bị ngoại vi

+

a. Sơ đồ khối thiết bị ngoài (tiếp)

 Giao diện (interface) với module I/O:

+

 Tín hiệu điều khiển - Control signal: xác định chức năng mà thiết bị

sẽ thực hiện. Ví dụ: gửi dữ liệu đến module I/O (INPUT hoặc READ),

nhận dữ liệu từ module I/O (OUTPUT hoặc WRITE), thông tin trạng

thái, hoặc hoặc thực hiện một số chức năng điều khiển đặc biệt đến

thiết bị (ví dụ, đặt head của đĩa cứng lên một vị trí nào đó)

 Dữ liệu – Data: một tập các bit được gửi đi hoặc nhận về từ module

I/O.

 Tín hiệu trạng thái - Status signal: chỉ ra trạng thái của thiết bị. Ví dụ:

READY/NOT-READY cho biết rằng khi nào thiết bị sẵn sàng cho việc

truyền dữ liệu.

 Logic điều khiển – Control logic: nhận các tín hiệu điều khiển từ

module I/O, điều khiển hoạt động của thiết bị.

 Bộ chuyển đổi - Transducer: chuyển đổi dữ liệu (đang ở dạng t/h

điện) sang các dạng khác (vd: điểm ảnh trên màn hình,...) và ngược

lại. Ngoài ra, bộ đệm (buffer) để lưu trữ tạm dữ liệu đang được

chuyển giao giữa module I/O và môi trường bên ngoài; kích thước bộ

đệm thường từ 8 đến 16 bit.

Công cụ tương tác máy tính/

người dùng phổ biến nhất

Người dùng cung cấp đầu vào

thông qua bàn phím

+

b. Bàn phím/Màn hình

Màn hình hiển thị dữ liệu được

cung cấp bởi máy tính

Đơn vị chuyển đổi cơ bản là ký

tự

Bảng chữ cái tham khảo

quốc tế (IRA)

 Ký tự

 Gắn với mỗi ký tự là một mã

 Mỗi ký tự được biểu diễn bởi một mã

nhị phân 7-bit : biểu diễn 128 ký tự

 Hai loại ký tự:

Mã bàn phím

 Khi người dùng bấm một phím, một tín

hiệu điện tử được tạo ra bởi một bộ

biến đổi trong bàn phím và dịch sang

mẫu bit của mã IRA tương ứng

 In được

 Các ký tự chữ cái, số và ký tự đặc

biệt có thể được in trên giấy hoặc

hiển thị trên màn hình

 Mẫu bit này được truyền đến mô-đun

I/O trong máy tính

 Trên đầu ra, các ký tự mã IRA được

truyền đến một thiết bị ngoại vi từ

module I/O

 Điều khiển

 Điều khiển việc in/hiển thị các ký tự

 VD: carriage return

 Các ký tự điều khiển khác liên quan

đến các thủ tục truyền tin

 Bộ biến đổi giải mã và gửi các tín hiệu

điện tử yêu cầu đến thiết bị đầu ra để

hiển thị ký tự được chỉ định hoặc thực

hiện chức năng điều khiển yêu cầu

7.2 Module I/O

a. Chức năng

Các chức năng chính của một module I/O gồm:

. Điều khiển và định thời: phối hợp luồng lưu lượng truy cập giữa

thành phần thiết bị bên trong (main memory, bus) và thiết bị

ngoại vi

. Trao đổi thông tin với VXL: gồm giải mã lệnh, dữ liệu, báo cáo

trạng thái (trạng thái của thiết bị I/O có sẵn sàng hay không),

nhận dạng địa chỉ (địa chỉ các cổng mà TBNV được nối vào)

. Trao đổi thông tin với TBNV: gồm các lệnh, thông tin trạng thái

và dữ liệu

. Đệm dữ liệu: thực hiện các hoạt động đệm cần thiết để cân bằng

tốc độ TBNV và bộ nhớ

. Phát hiện lỗi: phát hiện và báo cáo lỗi truyền

b. Cấu trúc Module I/O

+

b. Cấu trúc Module I/O (tiếp)

Các module I/O thay đổi khác nhau theo sự phức tạp và số lượng các thiết bị

ngoài mà nó điều khiển. Cấu trúc chung nhất:

- Dữ liệu được truyền đến và đi từ module được đệm qua một hoặc nhiều thanh

ghi dữ liệu (data register).

- Thanh ghi trạng thái/ điều khiển (status/control register): lưu trữ thông tin

trạng thái của thiết bị hoặc thông tin điều khiển của bộ VXL

- Khối logic điều khiển - I/O logic: tương tác với VXL qua một tập các đường

điều khiển (control line). VXL sử dụng các đường điều khiển để ra lệnh cho

module I/O. Module I/O cũng có thể sử dụng một số đường điều khiển để gửi

các tín hiệu phân xử bus hoặc tín hiệu trạng thái.

- Module cũng có khả năng nhận diện và sinh ra các địa chỉ với mỗi thiết bị được

nối đến nó (địa chỉ cổng). Mỗi module I/O có một (nếu chỉ nối với một TBNV)

hoặc một tập địa chỉ (nếu module nối với nhiều TBNV)

- Cổng nối ghép vào/ra (External Device Interface Logic): giao tiếp với thiết

bị ngoại vi

+

c. Địa chỉ cổng vào/ra

 Cũng giống như bộ nhớ, cácTBNV được gắn vào module I/O

qua các cổng. Để CPU giao tiếp được với các TBNV, các cổng

này phải được gán một giá trị địa chỉ

+

Không gian địa chỉ I/O

 Có hai phương thức thực hiện không gian địa chỉ cho các TBNV:

 I/O ánh xạ bộ nhớ (memory-mapped I/O):

 Bộ nhớ và TBNV chia sẻ chung không gian địa chỉ. VXL coi

các thanh ghi dữ liệu và trạng thái như các ô nhớ và sử

dụng cùng các lệnh để truy cập cả bộ nhớ và thiết bị ngoại

vi

 Chỉ sử dụng một đường đọc và ghi, do đó bus phải sắp

xếp giữa việc đọc/ghi bộ nhớ và vào/ra TBNV

 I/O riêng biệt (isolated I/O):

 Sử dụng một đường command line để xác định: địa chỉ BN

hay địa chỉ TBNV

 Toàn bộ dải địa chỉ dùng cho cả hai. VD: 10 đường địa chỉ

cho phép đánh địa chỉ 1024 ô nhớ và 1024 TBNV

 Tập các chỉ lệnh đến BN và TBNV khác nhau

7.3. Các kỹ thuật vào/ra

+

Hoạt động của module I/O theo 3 kỹ thuật sau:

 I/O chương trình

 CPU thực thi một chương trình trực tiếp điều khiển các hoạt động vào/ra

 Khi bộ xử lý ra lệnh, nó phải đợi cho đến khi hoạt động vào/ra hoàn tất

 Bộ xử lý chạy nhanh hơn module I/O sẽ gây lãng phí thời gian xử lý

 I/O điều khiển ngắt

 Bộ vi xử lý ra lệnh I/O sau đó tiếp tục thi hành các lệnh tiếp theo trong

chương trình.

 Khi module I/O hoàn thành công việc, nó sẽ gửi tín hiệu yêu cầu ngắt đến

VXL.

 Truy cập bộ nhớ trực tiếp (DMA)

 Module I/O và bộ nhớ chính trực tiếp trao đổi dữ liệu mà không có sự

tham gia của bộ vi xử lý

Các kỹ thuật I/O

+

a. Kỹ thuật I/O chương trình

 Khi cần thực hiện một tác vụ vào/ra:

 VXL thực thi một chương trình và gửi lệnh đến module I/O

tương ứng

 Module I/O nhận yêu cầu, thiết lập các bit trạng thái trên thanh

ghi trạng thái

 CPU định kỳ kiểm tra trạng thái của module I/O

 Chưa sẵn sàng thì tiếp tục định kỳ kiểm tra

 Đã sẵn sàng, thiết lập việc truyền dl đến module I/O

+

a. Các lệnh I/O – I/O command (từ

VXL đến module I/O)

Để thực thi một hoạt động vào/ra, VXL đưa ra địa chỉ: định ra module I/O và

TBNV cụ thể; và các lệnh I/O. Có bốn loại lệnh I/O các module cần thực

hiện

1) Control

- Dùng để kích hoạt một thiết bị ngoại vi và chỉ định nó phải làm gì

2) Test

-Dùng để kiểm tra các điều kiện trạng thái liên quan đến một module I/O và các thiết

bị ngoại vi. (TBNV bật hay tắt, hoạt động I/O đang thực hiện đã xong chưa, có lỗi gì)

3) Read

- Cho phép module I/O lấy dữ liệu từ thiết bị ngoại vi và đặt nó vào bộ đệm bên trong

 đặt dữ liệu vào bus cho CPU

4) Write

- Cho phép module I/O lấy dữ liệu từ bus dữ liệu rồi chuyển dữ liệu đó đến thiết bị

ngoại vi

+

Ví dụ: Hoạt

động đọc

(READ) từ thiết

bị ngoại vi vào

RAM

+

b. I/O điều khiển ngắt

 Vấn đề với I/O chương trình là bộ xử lý phải đợi một thời

gian dài để module I/O sẵn sàng cho việc nhận hoặc

truyền dữ liệu

 Giải pháp thay thế là bộ vi xử lý ra lệnh I/O cho module,

sau đó thực hiện các việc khác.

 Khi module I/O sẵn sàng trao đổi dữ liệu với VXL, nó sẽ

gửi tín hiệu ngắt đến VXL

 Bộ xử lý thực hiện việc truyền dữ liệu và tiếp tục quá trình

xử lý trước đó

+

Cơ chế làm việc

 Từ phía module I/O:

 Nhận lệnh READ từ VXL

 Đọc dữ liệu vào từ TBNV tương ứng

 Khi dữ liệu được đưa vào thanh ghi dữ liệu, module gửi tín hiệu yêu cầu ngắt

đến VXL và chờ đợi tín hiệu yêu cầu dữ liệu từ VXL.

 Khi có tín hiệu đó, module đặt dữ liệu vào bus và sẵn sàng để thực hiện các

hoạt động I/O khác

 Từ phía VXL:

 VXL đưa ra lệnh READ.

 Sau đó thực hiện các công việc khác (vd: trong trường hợp có nhiều CT

đang chạy tại một thời điểm)

 Sau mỗi chu kỳ lệnh, VXL sẽ kiểm tra xem có tín hiệu yêu cầu ngắt được

gửi tới

 Nếu có, VXL lưu trữ nội dung đang thực hiện và xử lý ngắt

 VXL nhận dữ liệu từ bus lưu trữ vào bộ nhớ và tiếp tục chương trình

+

Thay đổi trong bộ

nhớ và thanh ghi khi

có một ngắt

Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 7: Thiết bị ngoại vi - Nguyễn Thị Phương